納米纖維素去除水體系重金屬離子的研究進展

納米纖維素去除水體系重金屬離子的研究進展

北極星水處理網訊: 摘要：水體系重金屬汙染治理是目前全世界所面臨的一個重大挑戰。傳統治理方法由於成本高、效率低等問題 已不符合當今社會可持續發展戰略。納米纖維素憑藉其來源豐富、可再生、化學反應活性高、比表面積大、密 度低等優點，在水體系重金屬離子去除領域有著光明的應用前景。然而，納米纖維素吸附材料在水體系重金屬 去除領域還存在吸附量較低，吸附選擇性、再生性、性能穩定性較差，製備成本較高等問題，這限制了其在水 體系重金屬離子去除領域的工業化應用。通過改性和結構設計不斷提高納米纖維素材料的吸附效率是行之有效 的途徑，本文從化學改性和結構設計兩方面出發，系統地綜述了納米纖維素在水體系重金屬離子去除領域的研 究現狀，並對其中存在的科學技術問題進行總結。最後，展望了納米纖維素在水體系重金屬離子去除領域的發 展趨勢。

關鍵詞：重金屬離子；納米纖維素；吸附；化學改性；結構設計

重金屬廣泛應用於電池、顏/塗料、電子、肥 料、電鍍、醫藥、冶金等[1] 領域。隨著人類工業的 發展，重金屬汙染日益突出，它們以離子或者化合 物的形式在生態圈流動分布以及聚集，嚴重威脅著 生態環境和人類生命[2]。水體系汙染是重金屬汙染 的主要表現形式，其流動性強[3]、潛在危害性大。 治理水體系重金屬汙染是抑制其傳播、防止土壤被 進一步汙染、保證水資源供給[4]、回收重金屬資源 的重要措施之一，這對維持生態系統的可持續發展 和人類健康具有重要意義。

 吸附法具有處理效率高、成本和能耗低等優 點，是去除水體系重金屬離子的重要方法之一。吸 附材料是決定吸附法去除重金屬離子去除效率和環 保性的關鍵。隨著納米技術的不斷發展，納米材料 憑藉優異的尺寸效應，如納米級超高比表面積、擴 散距離短等，在水體系重金屬去除研究領域備受青 睞[5]。納米纖維素因可再生、來源豐富、化學反應 活性高、比表面積大、長徑比值高等優點，逐漸在 水體系重金屬離子去除領域嶄露頭角，有望達到人 類生產生活不同層次的排放標準及需求，符合綠色 可持續發展方向。

 本文系統地綜述了納米纖維素在水體系重金屬 離子去除領域的研究進展。首先，針對納米纖維素 的改性方法、活性官能團種類及其吸附性能進行全 面總結；其次，介紹了納米纖維素基吸附材料的結 構（膜、水凝膠、氣凝膠等）設計及其重金屬離子 吸附性能的研究。然後，根據上述兩部分內容凝練 出該領域存在的一些科學技術問題。最終，對納米 纖維素在水體系重金屬離子去除領域的進一步研究 及應用進行了展望。

 1 納米纖維素的簡介

 納米纖維素是由纖維素分子鏈通過氫鍵作用， 水平排列形成的具有纖維狀結構的納米材料[6]，具 有來源豐富、可再生、環境友好、易改性、比表面 積大、長徑比值高、密度低等優點。納米纖維素主 要 分 為 納 米 微 晶 纖 維 素 （cellulose nanocrystals, CNC）、纖維素微纖絲 （cellulose nanofibrils, CNF） 和細菌纖維素 （bacterial nanocellulose, BNC） [7] 3 種，其主要區別在於長度、直徑、聚合度範圍和形 態差異 （見圖 1）。CNC 的長度、直徑及聚合度的 範圍分別為 50~500nm、5~10nm 和 500~15000，由 於結構中結晶度較高而具有較強的剛性、化學穩定 性及熱穩定性；CNF的分別為0.1~2µm、5~50nm、 500~1500，具有較大的長徑比，結構中結晶區和 無定形區交錯排列，使其具有較好的韌性；BNC 的長度隨納米纖維素來源的不同而有較大差異，其 直徑在20~100nm範圍內，聚合度在4000~10000之 間[8-9]，其生產依靠細菌 （如醋杆、農桿菌屬等） 的生物合成，因具有較高的生產成本和較好的生物 相容性，目前主要用於醫學等高附加值的領域。本 文將著重討論 CNF 在水體系重金屬離子去除領域 的研究。

2 納米纖維素在水體系重金屬離子去 除領域的研究

納米纖維素具有優異的物理化學性能，對環境 友好，有望推動水體系重金屬離子去除領域朝著高 效、綠色、低成本的方向發展[13-14]。本節將從納米 纖維素的化學改性和納米纖維素基吸附材料的結構 設計出發，討論納米纖維素在去除水體系中重金屬 離子中的研究現狀。

 2.1 納米纖維素的化學改性

 納米纖維素表面富含羥基[見圖 2(a)]，羥基對 重 金 屬 離 子 的 吸 附 能 力 差 ， 其 吸 附 量 低 於 20mg/g[15-16]。為了提高納米纖維素對重金屬離子的 吸附量，常通過直接改性（滷化、酯化、醚化、氧 化、醯胺化等） 和接枝共聚改性[自由基聚合、開 環聚合、原子轉移自由基聚合 （ATRP）、可逆加 成-斷裂鏈轉移聚合 （RAFT） 等]在納米纖維素表 面引入有效的吸附活性位點[17-25]，主動提供含有N、 O、S、P等供電子基團的活性官能團（如羰基、羧 基、氨基、磺酸基、巰基、磷酸基、醛基等） [26-31與重金屬離子之間發生靜電吸引作用或螯合、絡合 類配位作用，達到去除水體系重金屬離子的目的。

基於大量文獻報導，圖2(b)對目前的改性方法 進行了總結，並將其歸納為以下3種類型。①將納 米纖維素表面羥基氧化、酯化引入羧基、醛基、磷 酸基等基團，直接用於重金屬離子的吸附。Liu 等[27] 研究了2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物 （2,2,6,6- tetramethylpiperidinyloxyl, TEMPO） 氧化CNF對Cu2+ 的吸附，吸附量達 75mg/g，當重金屬離子濃度≤ 10mg/L時，去除率可達100%。由於纖維素分子鏈 上的2、3、6位碳上均含有羥基，利用其反應活性 的不同，可進一步實現對剩餘羥基的改性，生成同 時含有羧基和醛基等活性官能團側鏈的衍生物。② 先將羥基轉化為某種活性基團作為前體，再通過取 代、氧化等反應引入羧基、氨基等活性官能團[33]。

投稿聯繫：0335-3030550  郵箱：huanbaowang#bjxmail.com（請將#換成@）

北極星環保網聲明：此資訊系轉載自北極星環保網合作媒體或網際網路其它網站，北極星環保網登載此文出於傳遞更多信息之目的，並不意味著贊同其觀點或證實其描述。文章內容僅供參考。